蒸汽爆破玉米秸稈厭氧消化產氣特性研究*

廖澄， 魏丹丹,2， 劉健峰,2,， 王昌梅,2,， 趙興玲,2,， 吳凱,2,,樸明國， 梁承月,2， 楊斌,2， 張無敵,2,， 尹芳,2,

(1.云南師范大學，云南 昆明 650500；2.云南省沼氣工程技術研究中心，云南 昆明 650500；3.吉林東晟生物質能工程研究院，吉林 通化 134118)

1 引言

中國地大物博，秸稈資源非常豐富，2017年我國的秸稈累積產量為 9 億噸，其中玉米秸稈所占比例超過了1/3[1-2]，且不斷增加[3]，但有大部分玉米秸稈沒有進行有效的回收利用，被遺棄在田間或者被直接燒毀，造成了嚴重的環(huán)境污染.

預處理是提高農業(yè)廢棄物厭氧消化效率的有效方法之一，其中蒸汽爆破技術屬于物理化學預處理方式，在高溫高壓環(huán)境下使秸稈中半纖維素部分降解，木質素軟化且部分降解，能夠明顯改變木質素和纖維素的有效性和敏感性，并顯著增加秸稈的營養(yǎng)相對含量[4]，同時秸稈中原本不能利用和較難利用的部分也能在蒸汽爆破條件下轉化成可利用纖維[5];整個處理過程用時短，化學藥品使用量少、無污染[6-7],使這項技術在纖維素乙醇生產和生物沼氣生產等方面得到廣泛應用.厭氧消化技術在降解有機廢棄物的同時可生產甲烷等清潔能源，因此被廣泛應用于農作物秸稈的無害化處理[8].目前，最新的厭氧消化技術可將玉米秸稈最大化地轉化為清潔的沼氣，避免露天焚燒導致的環(huán)境污染，實現廢棄秸稈資源再利用[9].爆破玉米秸稈作為一種經過預處理后有機質含量更加豐富的生物質原料，可以通過厭氧消化技術實現其綠色處理[10].試驗通過厭氧消化技術，研究蒸汽爆破處理后的玉米秸稈產甲烷特性及產甲烷潛力，以期為玉米秸稈資源的資源化回收利用提供理論依據.

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 發(fā)酵原料及接種物

將蒸汽爆破處理后的玉米秸稈磨成3～5 mm纖維粉末狀顆粒，裝于透明密封袋中，作為沼氣發(fā)酵原料.經測定，原料總固體含量(TS)為91.75%，揮發(fā)性固體含量(VS)為75.79%.

接種物為云南師范大學農村能源重點實驗室馴化處理廢棄蔬菜的厭氧底層活性污泥，接種物總固體含量(TS)為12.64%，揮發(fā)性固體含量(VS)為52.61%.

2.1.2 試驗裝置

試驗發(fā)酵裝置為批量式厭氧消化反應裝置，如圖1所示.反應裝置容積500 mL，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、計量瓶和恒溫裝置組成，發(fā)酵溫度由恒溫水浴控制，發(fā)酵瓶中產生的沼氣通過導氣管進入集氣瓶中，集氣瓶中由于氣體進入壓強增大，將集氣瓶內原本的水壓出通過導管進入計量瓶，讀取計量瓶中水量即可得出當日產氣量.

1-4.恒溫裝置；5.取樣口；6.導氣管；7.發(fā)酵瓶；8.集氣瓶；9.取氣口；10.導水管；11.計量瓶

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗設計

設計接種物體積占總發(fā)酵液30%進行試驗，設置一個試驗組(三個平行)和一個空白對照組(只加入接種物)，發(fā)酵溫度為中溫(35±1)℃，具體物料體積占比如表1所示.試驗過程中發(fā)酵產生的氣體通過排水集氣法收集，并記錄日產氣量.

表1 不同組別發(fā)酵液物質體積占比

2.2.2 測定項目及數據分析

(1)甲烷含量：氣相色譜儀(GC979011)測定；

(2)發(fā)酵液的酸堿度(pH)：采用pH試紙測定發(fā)酵前后系統(tǒng)pH；

(3)總固體含量(TS)測定：烘干法，電熱恒溫鼓風干燥箱(GZX-9146MBE) 中在105 ℃下烘 4～6 h；

(4)揮發(fā)性固體含量(VS)測定：烘干法，馬弗爐(SX-5-12)中在550 ℃下烘1 h；

(5)TS和VS產氣率計算公式：

式中,W—原料質量，g；TS—原料總固體含量，%；VS—揮發(fā)性固體含量，%.

3 結果與分析

3.1 厭氧消化產氣變化分析

3.1.1 日產氣量的變化情況分析

蒸汽爆破玉米秸稈日產氣量如圖2所示，發(fā)酵過程總計運行25 d，發(fā)酵前期啟動較快，但未完全形成適宜的厭氧消化環(huán)境，一些有產酸能力的細菌在發(fā)酵系統(tǒng)中通過利用糖類等有機物產生大量有機酸，導致發(fā)酵料液的pH值下降，接著氧氣隨著發(fā)酵的進行逐漸被消耗，而無氧環(huán)境能促進產甲烷菌的新陳代謝，使厭氧消化體系趨于穩(wěn)定，蒸汽爆破玉米秸稈中纖維素和半纖維素被降解并在微生物作用下產生CH4，于是在前5 d日產氣量逐漸增加并達到整個產氣過程的最高峰值230 mL.第6 天產氣量驟降后接著第7天產氣量又驟升為175 mL，達到小高峰.第7天之后產氣量在50～150 mL之間，日產氣量從第18天開始逐漸減少直至停止產氣.

圖2 爆破玉米秸稈日產氣量

3.1.2 累積產氣量的變化分析

圖3給出了蒸汽爆破玉米秸稈的累積產氣量情況，第4-8天出現了整個產氣過程中最高產氣速率，但這一階段反應體系內存在水解產酸現象，故產出氣體中CO2含量占比較大.從第8天開始，厭氧消化環(huán)境平衡，隨著反應器內氧氣的減少，產酸受到抑制，產甲烷菌的代謝活動增強，開始將反應初期階段產生的有機酸轉化為CH4.第18天累積產氣量達到2 000 mL以上，整個發(fā)酵過程一直持續(xù)到第20天后，原料與中間產物被消耗殆盡，產氣速率下降并逐漸趨于0.整個厭氧消化過程蒸汽爆破玉米秸稈的累積產氣量為2 239 mL，水力滯留時間(HRT)為18 d，此時累積產氣量達到總產氣量的80%.

圖3 爆破玉米秸稈累積產氣量

3.1.3 沼氣中甲烷含量的變化分析

甲烷含量曲線如圖4所示.從試驗開始，甲烷含量逐漸上升；反應初期系統(tǒng)中尚未形成嚴格的厭氧環(huán)境，抑制了產甲烷菌的活性，這一階段主要為后面甲烷生產階段提供了大量的原料，同時不產甲烷細菌也為產甲烷菌去除有害物質，產生大量的有機酸和CO2，系統(tǒng)內僅產生了少量CH4，此時的氣體成分以CO2為主[11]，故從第1天開始到第13天，所產沼氣中甲烷含量不足40%;第6-8天甲烷含量迅速升高，在第15天后趨于平緩,第14天甲烷含量達到40%以上，第15天甲烷含量超過50%;第15天后甲烷含量在56%附近波動，此時系統(tǒng)內產甲烷菌繁殖代謝非?；钴S，將前期水解產生的中間產物大量轉化為CH4.綜上可見，整個厭氧消化過程中日最高甲烷含量為56.88%，蒸汽爆破處理過的玉米秸稈，在沒有加其他酶制劑處理時所含木質素較難降解，故蒸汽爆破玉米秸稈發(fā)酵前期啟動快，日產氣量多，但甲烷含量較低，發(fā)酵時間需要持續(xù)15 d甲烷含量才能達到50%以上，但在發(fā)酵末期甲烷含量依然很高，最終平均甲烷含量為41.47%.

圖4 甲烷含量

3.2 TS和VS去除率分析

在厭氧消化過程中，TS和VS去除率可在一定程度上體現蒸汽爆破玉米秸稈厭氧消化產沼氣

表2 沼氣發(fā)酵前后pH、TS和VS含量及TS和VS去除率

的效果.發(fā)酵前后TS、VS、pH數據記錄以及TS和VS去除率如表2所示，根據TS和VS去除率計算公式得到沼氣發(fā)酵過程中TS和VS去除率分別為48.38%、3.03%.在一定酸堿條件下，pH會對體系內微生物活性造成影響，試驗前后pH都在7～8之間正常范圍內且變化不大，整個過程都是一個正常的發(fā)酵系統(tǒng)，沒有由于過酸而導致停止產氣，有較好的緩沖調節(jié)能力.TS組分含量消耗接近50%，VS組分含量消耗不到5%，TS去除率是VS去除率的15.97倍，說明系統(tǒng)內揮發(fā)性固體降解少，大多作為沼渣留存，而總固體含量為厭氧消化提供有機質的貢獻較大，實際效率高.

3.3 蒸汽爆破玉米秸稈與其他秸稈產氣特性對比

將劉紅艷[12]對玉米、蘆薈和棉花秸稈的產氣特性研究結果與本試驗蒸汽爆破玉米秸稈的產氣特性進行對比，如表3.從整體來看，這四種秸稈的TS產氣率排序為玉米>蘆薈>汽爆玉米>棉花，蒸汽爆破玉米秸稈TS產氣率僅比棉花秸稈高；VS產氣率排序則是玉米>汽爆玉米>蘆薈>棉花，蒸汽爆破玉米秸稈的VS產氣率與油菜秸稈最為相近；但水力滯留時間(HRT)排序為汽爆玉米<玉米=蘆薈<棉花，蒸汽爆破玉米秸稈的水力滯留時間明顯比其他秸稈短.雖然蒸汽爆破玉米秸稈相比未處理玉米秸稈TS產氣率有所下降，但二者VS產氣率相近，而且未處理玉米秸稈的水力滯留時間是蒸汽爆破玉米秸稈的2.17倍，因此蒸汽爆破玉米秸稈在工程設計中設置發(fā)酵周期有巨大優(yōu)勢.

表3 爆破玉米秸稈與不同秸稈產氣特性對比

4 結語

(1)通過批量式厭氧消化實驗研究了蒸汽爆破玉米秸稈的厭氧消化產氣特性.在中溫(35±1)℃條件下，蒸汽爆破玉米秸稈原料產氣率為361 mL/g，TS產氣率為393 mL/g，VS產氣率為519 mL/g.

(2)在接種物量為30%的情況下運行25 d后累積產沼氣量為2 239 mL，TS去除率為48.38%，VS去除率為3.03%，TS去除率是VS去除率的15.97倍.

(3)蒸汽爆破預處理后的玉米秸稈在厭氧消化過程中能很快達到產氣峰值，水力滯留時間(HRT)是18 d，可縮短蒸汽爆破玉米秸稈在沼氣工程中發(fā)酵周期，提高厭氧消化的效率.